美国又要“断供EDA”,对我国芯片产业有哪些影响?

2022-08-17 15:05:02 徐继 41

pcba


当地时间上周五,美国商务部工业与安全局(BIS)在联邦公报上披露了一项出口限制加码的临时最终决定,将4项“新兴和基础技术”加入出口管制清单,包括宽禁带半导体相关材料氧化镓 (Ga2O3) 和金刚石;特别针对GAAFET晶体管结构的ECAD (Electronic Computer-Aided Design) 软件;燃气涡轮发动机使用的增压燃烧 (Pressure Gain Combustion) 技术,其中三项涉及半导体。

规定生效时间为8月15日。这项出口限制规定并未特别指明针对中国,不过很显然对美国竞争对手之外的国家和地区半导体技术发展起到了持续的抑制作用,是此前出口限制规定的进一步扩展。

美国商务部主管工业与安全的副部长Alan Estevez介绍称,使半导体和发动机等技术能够更快、更高效、更长时间,以及在更恶劣条件下运行的科技进步,可能会在商业和军事环境中“改变游戏规则”。

 

GAAFET代表了半导体的未来

 

4项技术中比较惹人注目的是其中“特别针对GAAFET晶体管结构的ECAD软件”。BIS发布新闻稿中明确提到,ECAD是用于设计、分析、优化和验证集成电路或印刷电路板性能的软件工具;而GAAFET技术则是未来半导体尖端制造工艺向3nm及更先进节点迈进的基础。

预计明年就会大规模上市的3nm工艺——其中三星(Samsung Foundry)将在3nm这代工艺节点上采用GAAFET结构的晶体管。

晶体管结构随着半导体制造工艺的进步,也经过了多次迭代。20nm工艺以前,平面结构的Planar FET晶体管占据半导体制造技术的主流。但节点发展到20nm工艺之际,因为晶体管越来越小,短沟道效应开始凸显,也就无法进行有效的静电控制。

所以FinFET结构晶体管出现了,“Fin”(鳍)伸了出来,这种结构有效增大了沟道接触面积。只要把Fin做得更高,就能达成更宽的有效宽度来提升输出电流。

但在时代进入到3nm节点前后,FinFET结构也开始暴露出问题。首先是随着gate length的进一步变短,FinFET结构也很难再提供有效的静电控制。与此同时,要把单元(cell)结构进一步缩小,Fin的数量也要减,问题就变得更大了。

说到底都是在晶体管持续变小的过程里,性能越来越难以保证。于是GAAFET结构出现:相当于把原来FinFET的Fin水平横置出来,以前叫做Fin,掉个方向就叫nanosheet(所以GAAFET也叫nanosheet FET)。由于nanosheet被gate(栅极)四面环抱,所以就叫gate-all-around FET(GAAFET),接触面积自然也就更大了。

三星准备在很快要大规模量产的3nm工艺上采用GAAFET结构晶体管;而台积电和Intel对于这种结构的采用会推迟到2nm——这两家都认为FinFET在3nm节点上仍有性能挖掘的潜力。从台积电的计划表来看,2nm GAAFET晶体管的大规模量产大约是在2025年末。所以GAAFET可说是尖端制造工艺的未来。

 

对中国和更多国家地区会有哪些影响?

 

对于芯片设计企业而言,如果要用上GAAFET晶体管,自然也就需要对应的EDA工具来协助芯片设计。

一位从事CPU设计的工程师表示,“在没有EDA工具之前,搞电路要靠人手工,对于大规模集成电路有上亿晶体管的设计用手工简直是不可为的......可以说有了EDA工具,才有了超大规模集成电路设计的可能”。

而EDA技术的核心暂时掌握在美国的几个主要企业里:楷登电子(Cadence)、新思科技(Synopsys)和西门子旗下的明导国际(Mentor),做为开发芯片的重要设计工具,EDA能帮助工程师在设计成成品芯片之前确保没有问题。

美国商务部BIS宣布对这一类EDA工具做出口限制,自然对于其他国家需要用到GAAFET晶体管来实施芯片方案的芯片设计企业,造成了很大的影响。那么近未来究竟哪些芯片会率先应用GAAFET结构的晶体管呢?


通常尖端制造工艺的成本非常高,所以需要巨大的量来摊薄制造和设计成本。像台积电这样的企业,2022年的CapEx成本投入预计就要达到440亿美元——而且其2nm GAAFET工艺在这其中暂时还只占到很小一部分,未来几年GAAFET晶体管制造技术的持续投入只会让这个数字更夸张。

所以短期内用得起GAAFET晶体管的只会是那些量非常大的芯片,比如说PC与手机的CPU、数据中心的GPU和AI芯片、还有受众与应用范围很广的FPGA大芯片。实际上,我们认为先期GAAFET刚刚大规模量产之际,汽车大芯片都暂时不大可能应用这种先进的晶体管,而至少需要等成本的下降。

现阶段有能力造GAAFET晶体管的foundry厂暂时就只有三星、台积电和英特尔。有关三星3nm GAAFET工艺技术,我们此前做过多次分析。预计三星的这一代工艺在性能表现上不会比台积电3nm FinFET工艺强。

那么实则就短期来看(或者至少2026年以前),美国商务部BIS的这项暂行规定暂时不会表现出多大的威力。但基于芯片设计12-18个月的周期,未来1-2年内该出口限制规定就会事实上造成持续的影响。

在国际局势和大环境如此多变的现实世界里,这项新规至少造成了行业更大的不确定性。

中国是Cadence、Synopsys等芯片设计软件公司的重要客户。

根据最近提交给美国证券交易委员会的文件显示,Cadence第二财季有13%的收入来自中国。据Synopsys披露,公司第二财季17%的收入来自中国。

作为全球最大的电子元件产销市场,EDA三巨头的产品在国内占了近90%的市场份额,国产EDA软件产销占比仅不足10%。

数据显示,国内市场份额仅次于「三巨头」之后的「老四」 ,仅有6%的市场份额,而且在去年6月的IPO招股书中,该公司也坦言,公司既有模拟电路设计及验证工具「尚不支持16nm及以下先进工艺设计」。

而据业内人士预计,未来十年内,三巨头的EDA工具依然将占据市场主流,国内EDA在技术能跟上并实现「替代」的机会不大。

美国商务部的一位官员表示:“目前美国的目的是限制中国制造先进半导体的努力,以应对美国的重大国家安全风险。”

简单来说,中国对美国EDA企业的严重依赖,让这些禁令和措施有了实施的意义。

另外,向中国提供芯片制造设备的美国公司也可能受到影响,包括KLA公司和上文提到的Lam Research。不过,KLA首席执行官Rick Wallace表示,预计新的措施不会对公司产生任何重大影响。

美国商务部工业和安全局(BIS)此前表示,目前正在更新限制中国的措施,寻求“最大限度地提高出口控制的有效性”。

其中包括收紧与中国生产先进半导体有关的现有政策,并利用BIS工具箱中的各种法律、监管措施和执法工具,发展和加强与盟友和伙伴的合作。

 

我国自研EDA软件的进展如何了?

 

其实,早在上世纪80年代,由于巴统协议的禁令限制,中国无法买到芯片设计所需的最新EDA软件,国家就动员了全国17个单位,200多名专家聚集北京集成电路设计中心开发自己的工具。

终于在1993年,我国第一款具有自主知识产权的EDA工具问世。它的名字叫“熊猫”,寓意着EDA的珍贵且稀有。

“熊猫”获得了国家科学技术进步一等奖,并在20家设计公司和研究机构得到应用,由于价格仅为同类产品的1/10,美国芯片厂商也一度选择过“熊猫”,在市场中反响很不错。

有观点称,“熊猫”的出现让当时我国EDA产业与国际的差距只有五年。

不过,随着1994年“巴统”禁令取消,美国EDA三巨头大举进入中国市场,凭借着技术成熟、价格便宜、免费赠送、多方合作等优势和策略,快速收割国内市场份额。

再加上中国彼此也在推广全球化,国内EDA产业由此渐渐失去市场和政策上的双重支持,进入停滞状态。

 

没想到这一停,就是约十五年之久。

直到2008年,国家开始实施的“核高基”(核心电子器件、高端通用芯片及基础软件产品)重大科技专项才再次开始扶植国产EDA的发展,一批国产EDA公司从此时才开始纷纷冒头。

目前,国内大约有50+EDA企业,包括华大九天、国微集团、芯愿景、芯华章、广立微、概伦电子、思尔芯、芯和半导等等,近几年已将EDA的市场份额从6%提升至11%。

其中规模最大的是华大九天,其董事长刘伟平正好就参与过“熊猫”的开发。

上个月,华大九天在创业板上市,发行市值约177亿元(估值处于较高水平),并成为继概伦电子之后,A股又一支EDA股。

除了华大九天和概伦电子,国微思尔芯(科创板)、广立微(创业板)也在申请上市的路上。

不过,眼看国内EDA产业正在慢慢复苏,但由于起步时间较晚,国产EDA还有很长一段路要走。

就拿EDA工具链来说,三巨头已实现了40个细分领域的全产业链覆盖;国产最大的华大九天目前只覆盖了40%,其他国产厂商的产品则多为点工具,特定领域的全流程产品都还无法提供。

再看先进工艺,国内厂商中,华大九天是唯一能够提供模拟电路设计全流程EDA工具系统的本土企业。

其电路仿真工具支持5nm量产工艺制程,其他模拟电路设计EDA工具支持28nm制程。

思尔芯主要聚焦数字芯片的前端验证,其相关EDA产品能做到支持10nm。

相较之下,国外三巨头已经达到2nm。

由此种种,这几年,国家对EDA的重视只增无减,就比如在十四五规划和2035年远景目标纲要中,对EDA的攻关就被列为了集成电路技术之首。

由于本次管制仅对3nm以下的芯片设计有影响,国内大多数厂商还停留在20nm制程左右,很多网友都表示短期内问题不大,反而会进一步鞭策国产EDA软件的发展。

倒是有观点犀利地指出,美国这个操作是为了赚钱和制裁两不误。

此外,也有观点表示担忧,此次断供若未能对中国半导体形成实质上的打击,不排除美国继续加码的可能。

虽然如大部分人所说“EDA比光刻机有希望多了”,但中国芯片行业,仍然任重道远。

而对于现阶段国产EDA产业来说,有人指出,我们目前面临的最大困难其实是缺乏市场需求的引导。

因为工业设计软件是和市场需求紧密相连的,只有设计需求增多带来更多的工程反馈,EDA的发展才能提起速度来。


微信公众号